金属凝固计算机模拟b
金属凝固原理
2 研究对象：
研究液态金属或合金转变为固态金属或合金这一凝固过程 的理论和技术，定性地特别是定量地揭示其内在联系和规 律，发现新现象，探求未知参数，开拓新的凝固技术和工 艺。 凝固学是材料成形技术的基础，也是近代新型材料开拓和 制备的基础。
第一节 单向凝固工艺 第二节 单晶生长 第三节 柱状晶的生长 第四节 自生复合材料
第八章 快速凝固
第一节 快速凝固技术及其传热特点 第二节 快速凝固的热力学 第三节 快速凝固的动力学及界面形貌稳定性 第四节 快速凝固晶态合金的显微结构特征与 应用 第五节 快速凝固的非晶态合金
绪论
研究对象
1 凝固：
两个原子的相互作用势能 W(R) 的曲线如图 1-1b 所示。可 用下式计算相互作用力，当 R 增加 dR 时，力 F 就靠势能 W(R)减小作外功FdR。因此得到： 或 当R=R0 时，F(R0)=0，即 对应于能量的极小值，状态稳定。原子之间倾向于保持一 定的间距，这就是在一定条件下，金属中的原子具有一定 排列的原因。当R=R1时，吸引力最大，即
第二章 凝固热力学
第一节 液态金属结构 第二节 二元合金的稳定相平衡 第三节 溶质平衡分配系数 第四节 液－固相界面成分及界面溶质
分配系数
第三章 凝固动力学
第一节 自发形核 第二节 非自发形核 第三节 固－液相界面结构 第四节 晶体生长方式
第四章 单相合金的凝固
第一节 凝固过程的溶质再分配 第二节 金属凝固过程中的“成分过冷” 第三节 界面稳定性与晶体形态 第四节 胞晶组织与树枝晶 第五节 微观偏析 第六节 固－液界面非线性动力学理论
表1-1 一些金属的熔化潜热和汽化潜热的比较
连铸过程原理及数值模拟
连铸过程原理及数值模拟连铸是一种重要的金属成形工艺，广泛应用于钢铁、铝合金等金属材料的生产和加工中。
连铸过程原理及数值模拟是研究连铸工艺的关键内容，通过对连铸过程的原理分析和数值模拟，可以优化连铸工艺参数，提高产品质量和生产效率。
连铸过程是将熔融金属直接注入到连续运动的铸坯中，通过冷却和凝固过程，将熔融金属转化为固态铸坯。
连铸的基本原理是利用连续运动的铸坯带走热量，使熔融金属迅速凝固，形成连续的固态铸坯。
在连铸过程中，主要包括液相区、液固两相区和固相区三个区域。
在液相区，熔融金属通过连续浇注，填充到铸坯的空腔中。
熔融金属的温度高于固相线，处于液态状态。
随着熔融金属的注入，液相区的长度逐渐增加。
在液固两相区，熔融金属和正在凝固的铸坯同时存在。
由于熔融金属的温度高于固相线，所以熔融金属仍然保持液态。
而铸坯由于受到液相的热量传递，开始逐渐凝固。
在这个区域中，液相区的长度逐渐减小，凝固铸坯的长度逐渐增加。
在固相区，整个铸坯都已经完全凝固。
熔融金属已经完全转化为固态，形成连续的固态铸坯。
在这个区域中，液相区的长度为零，凝固铸坯的长度为整个连铸过程的长度。
为了研究连铸过程的细节和优化连铸工艺参数，数值模拟成为一种重要的方法。
数值模拟是通过数学模型和计算机仿真技术，对连铸过程进行模拟和分析。
数值模拟可以准确地计算连铸过程中的温度场、流场和凝固结构等关键参数，为工艺优化提供科学依据。
在连铸过程的数值模拟中，需要考虑多个物理过程的相互作用。
首先是流体力学过程，包括熔融金属的流动和铸坯带走热量的过程。
其次是热传导过程，包括熔融金属的冷却和凝固过程。
最后是凝固结构演化过程，包括铸坯的晶粒生长和偏析等现象。
为了建立连铸过程的数值模型，需要考虑材料的物理性质、流体力学和热传导方程等方面的参数。
同时，还需要考虑边界条件和初始条件等参数。
通过数值模拟，可以预测连铸过程中的温度分布、流速分布和凝固结构等重要参数，为工艺优化提供指导。
fluent凝固相变模型
fluent凝固相变模型Fluent凝固相变模型引言：Fluent凝固相变模型是一种用于模拟物质从液态到固态的相变过程的计算模型。
该模型基于流体动力学（CFD）方法，并考虑了物质的输运、热传导和相变等过程。
在工程领域中，该模型广泛应用于研究和优化凝固过程，例如金属凝固、半导体生长和冷冻食品制造等。
一、Fluent凝固相变模型的原理Fluent凝固相变模型是基于质量守恒、动量守恒和能量守恒等基本方程进行建模的。
在模型中，通过引入凝固速率、凝固热和凝固界面等参数，可以准确地描述物质的凝固过程。
模型中的凝固速率方程通常采用Stefan方程或类似的数学形式，用于描述凝固界面的移动速度。
二、Fluent凝固相变模型的关键特点1. 考虑相变潜热：Fluent凝固相变模型考虑了物质在凝固过程中释放或吸收的相变潜热。
这对于准确预测凝固过程的温度分布和相变界面的位置非常重要。
2. 考虑界面传热：Fluent凝固相变模型考虑了凝固界面处的热传导效应。
在模型中，通过引入界面传热系数和界面温度跳跃等参数，可以考虑凝固界面处的热传导现象。
3. 考虑物质输运：Fluent凝固相变模型不仅考虑了物质的凝固过程，还考虑了物质的输运过程。
在模型中，通过引入扩散系数和输运速率等参数，可以准确地描述物质的输运过程。
4. 考虑晶体生长：Fluent凝固相变模型考虑了晶体生长的过程。
在模型中，通过引入晶体生长速率和晶体取向等参数，可以准确地描述晶体生长的动力学行为。
三、Fluent凝固相变模型的应用案例1. 金属凝固过程模拟：利用Fluent凝固相变模型，可以模拟金属凝固过程中的温度分布、相变界面的位置和晶体生长等行为。
这对于优化金属凝固工艺、提高产品质量具有重要意义。
2. 半导体生长过程模拟：Fluent凝固相变模型可以应用于半导体生长过程的模拟和优化。
通过模拟生长过程中的温度分布和晶体生长行为，可以预测生长过程中可能出现的缺陷，并采取相应的措施进行修正。
金属冶炼中的数值模拟与模型预测
模型预测在金属冶炼中的优势与局限性
模型简化与误差
为了简化计算和提高计算效率，模型通常会做出一些假设和简化 ，可能导致预测结果存在误差。
数据需求
建立精确的模型需要大量的实验数据和参数支持，数据获取可能存 在困难。
计算资源要求
环保监测
通过数值模拟与模型预测技术对金属冶炼过 程中的环境影响进行监测和评估，为环保决 策提供科学依据。
提高数值模拟与模型预测技术应用效果的措施与建议
01
加强人才培养
培养具备数值模拟与模型预测技 术的专业人才，提高技术应用水 平。
02
强化技术研发
03
建立标准体系
持续投入资源进行数值模拟与模 型预测技术的研发和创新，保持 技术领先优势。
模型预测通常需要高性能计算机和专业的数值计算软件，对计算资 源要求较高。
04
金属冶炼中的数值模拟与 模型预测的未来发展
数值模拟与模型预测技术的发展趋势
智能化
随着人工智能和机器学习技术的 快速发展，数值模拟与模型预测 将更加智能化，能够自动识别和 解决复杂问题。
精细化
随着计算能力的提升和数值方法 的改进，数值模拟与模型预测将 更加精细化，能够处理更复杂、 更高精度的模型。
基于物理定律和数学方程，通过计算机程序建立数学模型， 将实际生产过程中的复杂物理和化学变化转化为可计算的数 学问题。通过求解这些数学问题，可以得到各种工艺参数和 性能指标。
数值模拟在金属冶炼中的应用领域
熔炼过程模拟
连铸过程模拟
模拟金属熔炼过程中的传热、传质、化学 反应等过程，预测金属的熔化温度、熔体 成分、温度分布等参数。
铸件凝固过程温度场的数值模拟
３ 中央处 理 单元
从总体上讲前处理单拿来 主义” 即使用成品软件 ， ， 而无需另行
开 发。
中央处理单元是模拟系统 的核心。 在有限元 （ 或有限 差分） 网格划分基础上 ， 给出凝 固过程 中每个小单元 （ 按
点处理 ） 各个时刻温度 ， 以文件形式存贮 ， 并对缩孔 、 缩
实际上铸件是三维形状 ，其凝固过程中的传热也属
三维传热问题 。因此要使铸件凝固过程数值模拟软件能
够实用化和有较高的精度 ，必须进行铸件凝固过程 的三 维传热计算 。 为实现这一 目的， 首先要解决铸件三维实体
造 型问题 。
目 前实用的三维实体造型软件很多 ， 如工作站上 Ｉ — ｄａ 系统 、Ｇ系统、ｒ Ｅ系统 （ ｅｓ Ｕ Ｐｏ ／ 这些系统还能进行有限
状、 模拟物体动态处理过程 的技术。 如几何模型用于后续
缩孔 、 缩松等宏观缺陷 ； 为预测铸造应力 、 微观组织等提 分析，必须把几何模型分解成有大量单元或元素组成的 供基础数据 ； 分析 、 评价 ， 并通过控制凝固条件优化铸造 集合体 ，其 目的在于方便灵活地为其它程序模块提供相 工艺； 减少工艺准备失误率； 缩短试制周期 、 降低试制成本。 应的数据 。网格划分主要有有 限元网格及有限差分网格 铸件凝 固过程数值模拟 开始于 ２ ０世纪 ６ 年代 ， ｏ 丹 两种方式 比较而言前者处理精度高 ， 但对硬件要求高， 麦人 Ｆｒ ｎ 最早采用有 限差分法进行铸件凝 固过程 的 ｏｓ ｄ ｕ 后者速度快 ， 具体选用哪种方式需根据硬件情况而定 。 传热计算。而首次成功应用应属 三年后两个美国专家对 网格 模型 的实现 若在 工作 站上可 以采用 Ｉｄａ 、 － ｅｓ 汽轮机内缸体铸件进行的数值计算 ，其温度场的计算结 ＰｏＥ Ａ Ｓ Ｓ等系统 ， ｒ 、Ｎ Ｙ ／ 在微机上一般需要 白行开发一套 果与实测值相当接近。他们 的成功使研究者意识到用计 划 分系统 。 算机数值模拟技术研究铸件的凝固过程的巨大潜力和广 阔的前景。 由此开辟了铸件的凝固过程数值模拟的先河。 数值模拟系统工作流程如图 １ 所示 ，一般来讲我们 把①②⑧称为前处理单元 ， 是数值模 拟的基础 ； ④称 为中 央处理单元 ， 是数值模拟的核心 ； ⑤称为后处理单元 下 面将 分别论 述 ÷
金属凝固原理习题与答案
金属凝固原理习题与答案金属凝固原理习题与答案金属凝固是材料科学中的重要研究领域，也是金属加工和制备过程中不可或缺的一环。
在金属凝固过程中，涉及到许多基本原理和概念。
本文将通过一些习题来探讨金属凝固的原理，并给出相应的答案。
习题一：什么是金属凝固？答案：金属凝固是指金属在高温下由液态转变为固态的过程。
当金属被加热到其熔点以上时，金属原子开始逐渐失去自由度，形成有序的晶体结构，从而形成固态金属。
习题二：金属凝固的主要原理是什么？答案：金属凝固的主要原理是原子的有序排列。
在液态金属中，原子无序排列，而在固态金属中，原子有序排列成晶体结构。
这是因为在液态金属中，原子具有较高的热运动能量，可以自由移动，而在固态金属中，原子受到周围原子的束缚，只能在晶格中振动。
习题三：金属凝固的过程中有哪些因素会影响晶体的形成？答案：金属凝固的过程中，晶体的形成受到许多因素的影响，包括温度、凝固速率、合金成分等。
温度对晶体的形成有重要影响，较高的温度会使晶体生长得更快，而较低的温度会使晶体生长得更慢。
凝固速率也是影响晶体形成的重要因素，快速凝固会导致细小的晶体形成，而慢速凝固则有利于大晶体的生长。
合金成分对晶体形成也有重要影响，不同的合金成分会导致不同的晶体结构和形态。
习题四：金属凝固过程中，晶体的生长方式有哪些？答案：金属凝固过程中，晶体的生长方式主要有三种：平面生长、柱状生长和体内生长。
平面生长是指晶体在平面上逐渐生长，形成平坦的晶界；柱状生长是指晶体在某个方向上生长，形成柱状晶界；体内生长是指晶体在整个体积内均匀生长，没有明显的晶界。
不同的金属和凝固条件下，晶体的生长方式可能不同。
习题五：金属凝固过程中，晶体的缺陷有哪些？答案：金属凝固过程中，晶体的缺陷主要有晶格缺陷和晶界缺陷。
晶格缺陷是指晶体内部原子的位置偏离理想位置，包括点缺陷（如空位、间隙原子等）和线缺陷（如位错等）。
晶界缺陷是指晶体之间的界面上存在的缺陷，包括晶界错配、晶界位错等。
基于ANSYS的铝合金铸件凝固过程温度场的数值模拟
中图分 类 号 ： Ｇ ４ ２ １ 文献标 识码 ： 文章 编号 ： ０ ６ ９ ５ （ ０ ８） ４ ４ Ｔ １ ６． ： Ａ； １ ０— ６ ８２０ ０—
固 过程 的温 度场 分 布进行 了数值模 拟 。 １ 计 算 温度 场 的数 理模 型 实 验 所 用 材 料 为 Ａ 一 ％Ｃ ｌ４ ｕ合 金 ，由高 纯 度 Ａ ｌ （ ９９ ％ ） 电 解 Ｃ （ ９９ ％ ） 电 阻 炉 中 的石 墨 坩 ９ ．９ 和 ｕ ９． ９ 在 埚里 熔炼 。采用 砂 型铸 造 。合 金 熔 体 的浇 注 温度 为 ９ ０Ｃ， 温 为 ２ ℃。 为使 铸件 在 长 度方 向上 快 速凝 ０￣ 室 ５ 固 ， 铸 件 的末 端 放置 一冷 铁 。 在
铸造 凝 固过 程数 值 模拟 技术 是 学科 发 展 的前 沿 领域 ， 括宏 观模 拟 （ ｃｏ Ｍｏ ｅ ｉｇ 和 微 观 模 拟 包 Ｍａｒ— ｄ ｌｎ ） ｌ （ ｃｏ Ｍｏ ｅｌ ｇ 。其 中 以研 究铸 件凝 固过 程 中温 Ｍｉ — ｄ ｌｎ ） ｒ ｉ 度场 变化 规律 为基础 内容 的数值 模 拟 ，被许 多学 者 称 之 为铸 件凝 固过程 的宏 观 模拟 。它是 指从 传 热 学 角度 模拟 金属 从 液态 转 变为 固态 的过程 ，在存 在 相
维普资讯
基于 Ａ Ｙ ＮＳ Ｓ的铝合 金 铸 件 凝 固过 程温 度 场 的数 值 模 拟
Ｎｕ ｅ ｉ ａ ｉ ｕ ａ ｉ ｎ ｏ ｍ ｐ ｒ ｔ ｒ ｉｌ ｅＳ ｌ ｉ ｃ ｔｏ ｏ ｅ ｓ ｍ ｒｃ ｌ ｍ ｌ ｔｏ ｆ Ｓ Ｔｅ ｅ ａ ｕ ｅＦ ｅ ｄ ｉ ｔ ｏ ｉ ｆ ａ ｉ ｎＰｒ ｃ ｓ ｎ ｈ ｄｉ ｏ ｌ ｙ Ｃａ ｔ ｓ ｄ ＯｎＡＮＳ ｆ Ａｌ ｓ ｅ Ａｌ ｏ Ｂａ ＹＳ
快速凝固技术
快速凝固技术快速凝固技术是目前材料科学与工程领域最活跃的课题之一。
它是通过对合金熔体进行快速冷却（冷却速率大于104~106K/s）或遏制冷却过程中的非均匀形核，使合金在大的过冷度下发生高生长速率（耳~100cm/s）的凝固。
冷却速率是决定合金凝固组织的关键因素，它不仅决定着凝固组织形态，而且对组织中各相的析出次序、种类及数量都有重要的影响。
所以较好地理解冷却速率对合金凝固组织和性能的影响，在解释同一成分合金铸造出不同形状铸件时微观组织的差异是相当有益的。
传统的铸造工艺，由于凝固速度较低，合金在冷却过程中的过冷度和凝固速度较小，因此常规铸造合金有着晶粒粗大、偏析严重等严重缺陷。
快速过冷技术无论对合金的成分设计还是还是对合金围观组织以及宏观特性都有很大的影响。
一、快速凝固技术快速凝固即由液相到固相的相变过程进行的非常快，从而得到普通铸件和铸锭无法获得的成分、相结构和显微组织结构的过程。
目前快速凝固技术已经在许多方面显示出其优越性，与常规铸锭材料相比，快速凝固材料的偏析程度大幅度降低，而且快速凝固材料的化学成分多比较均匀。
应用快速凝固技术可以制备具有超高强度、高耐蚀性和磁性的材料，非晶、准晶、微晶和纳米晶合金等。
目前，快速凝固技术已成为一种挖掘金属材料潜在性能与发展前景的开发新材料的重要手段。
快速凝固技术已开始应用于研究合金在凝固时的各种组织形态的变化以及如何控制才能得到符合实际生活、生产要求的合金。
二、快速凝固的基本原理和分类从技术原理上讲，快速冷却主要有两种原理：急冷凝固技术和大过冷凝固技术。
1、急冷凝固技术急冷凝固技术又称熔体淬火技术，即提高熔体凝固时的传热速度从而提高凝固时的冷却速度，使熔体的形核时间短、效率高，来不及在平衡熔点附近凝固，只能在远离平衡熔点的较低温度下凝固。
急冷凝固技术的核心是要提高凝固过程中熔体的冷却速度。
一个相对于环境放热的系统的冷却速度取决于该系统在单位时间内产生的热量和传出系统的热量。